JPH01182702A - 可動体の位置検出方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、工作機械、検査装置等における各要素（可動
体）の精密な位置決め・位置制御、あるいは、定盤、光
学実験台等の実験装置における各要素（可動体）の精密
な位置決め・アライメント調整を行なう際などに用いて
好適の光学式の可動体の位置検出方法および装置に関す
るものである。

［従来の技術］ 従来の光学式の可動体の位置検出装置を説明する前に、
まず、その装置において用いられる従来の光位置検出装
置（Ｐ　Ｓ　Ｄ　：　Ｐ　ｏｓｉｔｉｏｎ　Ｓ　ｅｎｓ
ｉｔｉｖｅＤ　ｅｔｅｃｔｏｒ）について説明する。

第１８図は例えば精密機械ＶＯ１，５１，Ｎ（１４，１
９８５゜７３０〜７３７頁「位置測定におけるＰＳＤの
応用」金沢−男著に示された従来の光位置検出装置を示
す側面図である。

この従来の光位置検出装置では、平板状シリコン基板に
おいて、第１８図に示すように、光入力を受けるＰ型半
導体（光電変換体）から成る第１抵抗Ｍ５１と、この第
１抵抗層５１に空乏層５３を介して接続されたＮ型半導
体（光電変換体）から成る第２抵抗層５２とがそなえら
れており、第１抵抗層５１は全面一様な抵抗値を有する
ように形成されている。

そして、第１抵抗層５１に入射される光ビームの１次元
位置を検出すべく、第１抵抗層５１の両端に電極５４．
５５がそれぞれ取り付けられている。また、第２抵抗層
５２の中央には、バイアス電極５６が接続されている。

このような光位置検出装置において、第１８図に矢印ａ
で示すように、第１抵抗層５１に光ビームが入射した場
合に、その１次元位置は次のようにして得られる。ただ
し、座標系としては、電極５４．５５との中点を原点と
し、この原点に対する入射位置の座標をＸとし、また第
１８図中の右方向を正方向とする。

矢印ａのように光ビームが第１抵抗層５１に入射すると
、入射位置には光エネルギーに比例した電子−正孔が発
生する。発生した正孔は、第１抵抗層５１を流れ、同第
１抵抗層５１の両端における電極５４．５５からそれぞ
れ電流値工、。ｔ　Ｉ２０として検出される。また１発
生した電子は、空乏層５３から第２抵抗層５２を流れ、
バイアス電極５６より取り出される。このとき、正孔即
ち光電流は、第１抵抗層５１の均一な抵抗により、入射
位置から電極５４．５５までの距離に反比例配分される
。

従って、第１抵抗層５１の全長を２Ｑｏとすると、 Ｉｔｏ／（Ｑｏ　　Ｘ）＝ＩＺＯ／（Ｑｌｌ＋　Ｘ）”
＝　ｋ　　”’（１）が得られる。ここで、ｋは、光エ
ネルギに依存する量であり、入射位置Ｘには依存しない
。

そこで、測定される電流値工、。ｌＩ２゜に対して、（
工ｔ。−工２゜）／（１１゜＋１２゜）を求めると、（
１）式より、（Ｉ、。−Ｉ　、０）／（Ｉ　、。＋　Ｉ
　２ｏ）ｋ・（Ｑｏ＋　ｘ）　　ｋ・（Ｑｏ−ｘ）ｋ・
（Ｑ０＋　ｘ）＋　ｋ・（ｆｌｏ−ｘ）＝２に−ｘ／（
２に−Ｑｏ）＝ｘ／Ｑ。　・・・（２）となり、入射位
置Ｘが、光エネルギに関係なく、ｘ＝Ｑ。・（１，、−
Ｉ２．）バエ、。＋工２ｏ）　　・・・（３）として、
検出される。

以上のように、第１抵抗層５１に入射する光ビームの１
次元位置Ｘが、光位置検出装置により測定された電流値
Ｉ□。ｌＩ２゜から（３）式に基づいて求められる。な
お、光ビームの２次元位置も上述した１次元位置測定の
原理と同様にして行なわれる。

この場合、第１９図あるいは第２０図に示すような光位
置検出装置が用いられる。

第１９図に示す光位置検出装置は表面分割型のもので、
電極５７．５８が、電極５４．５５に直交して第１抵抗
層５１の両端部にそれぞれ取り付けられている。このよ
うな光位置検出装置では、電極５４．５５からそれぞれ
検出される電流値１１゜。

工２゜により、（３）式に基づきＸ座標が求められると
ともに、電極５７．５８からそれぞれ検出される電流値
１１＠ｔＩ４＠によりｙ座標が求められる。

また、第２０図に示す光位置検出装置は両面分割型のも
ので、電極５７．５８が、電極５４゜５５に直交して第
２抵抗層５２の両端部にそれぞれ取り付けられている。

このとき、第２抵抗層５２も全面−様な抵抗値を有する
ように形成されている。このような光位置検出装置でも
、電極５４．５５からの電流値Ｉユ。、工、。により、
Ｘ座標が得られるとともに、電極５７．５８からの電流
値■３゜ｔ　Ｉ４゜によりｙ座標が得られる。

上述したような光位置検出装置を用いた従来の可動体の
位置検出装置としては、第２１図に示すようなものがあ
る。第２１図において、５９は第１８図に示す光ビーム
Ｌ０の１次元位置を検出する光位置検出袋［，５９ａは
光位置検出装置５９の受光面、６０は位置を検出すべき
可動体、６１は可動体６０上に固定され光ビームＬ０を
光位置検出装置５９へ垂直に照射するレーザ光源である
。

このような構成により、光位置検出装置５９に入射する
光ビームＬ６の位置を検出電流値工、。。

工２゜および（３）式に基づいて検出することで、可動
体６０の矢印す方向位置が検出される。

ここで、光位置検出装置５９として、第１９゜２０図に
示すものを用いた場合には、回置光面５９ａに平行な面
（光ビームＬ６の照射方向に直交する面）内における可
動体６０の２次元位置が検出される。

なお、第２１図では、レーザ光源６１を可動体６０上に
固定しているが、逆に、光位置検出装置５９を可動体６
０上に固定し、レーザ光源６１を固定部側に設けてもよ
い。

また、第２１図に示した可動体の位置検出装置のほかに
、従来、第２２図に示すようなものもある（センサ技術
１９８７年２月号Ｖｏ１．７　、Ｎａ　２．１８〜２０
頁）。第２２図において、６１は光ビームＬ０を可動体
表面６３へ垂直に照射するレーザ光源、６２はレーザ光
源６１からの光ビームＬ０を集光するレンズ、６４Ｉ−
ＡＭ動体表面６３により反射・散乱された散乱光Ｓ０を
受けるレンズ、６５はレンズ６４を通過した散乱光Ｓ、
を受光し散乱光Ｓ、の入射位置を検出することにより可
動体表面６３の位置（変位）を検出するための受光素子
（第１８図に示すものを用いてもよい）である。

このような装置の位置計測原理は、三角測量法であり、
測定対象物である可動体表面６３に光ビームＬ、を照射
し、その反射散乱光Ｓ、をレンズ６４により受光素子６
５上に結像し、この受光素子６５の出力によって、可動
体表面６３の位置（光ビームＬ０の照射方向の位！！り
を測定するものである。ここで示す装置は、第２２図に
示すように、可動体表面６３の位置Ａ１〜Ｂｉの距離Ｘ
０間の変位量を検出しようとするもので、可動体表面６
３が位置Ａユにあるときの散乱光Ｓ０１は、受光素子６
５上の位［Ａ、に入射し、可動体表面６３が位置Ｂユに
あるときの散乱光Ｓ。２は、受光素子６５上の位置Ｂ２
に入射する。

従って、可動体表面６３が位置Ａ　ｔ　””　Ｂ　１を
移動するのに対応して、受光素子６５上に入射する散乱
光Ｓ０の入射位置もＡヨーＢ２の間を変化することにな
り、受光素子６５への散乱光Ｓ０の入射位置を検出する
ことで、可動体表面６３の変位つまり可動体の１次元的
な位置を検出することができる。

このように、第２１図に示す装置では、光ビームＬ０の
照射方向に直交する面内における可動体の１次元もしく
は２次元位置を検出できる一方、第２２図に示す装置で
は、光ビームＬ。の照射方向における可動体の１次元位
置を検出できる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、第２１．２２図に示すいずれの装置によ
っても、可動体の、光ビームＬ０の照射方向位置と、光
ビームＬ。の照射方向に直交する面内の位置とを一つの
装置で同時に検出することはできない。従って、これを
実現するためには、第２１図あるいは第２２図に示す装
置を複数組み合わせる必要があり、装置が複雑で高価な
ものとなる。

また、特に、第２２図に示す装置では、三角測量法を利
用しているために光学系が大きくなり、装置の小型化が
困難である。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされた
もので、光ビームの位置や拡がり（分散）の情報を検出
して、光ビームの照射方向と、光ビームの照射方向に直
交する面内とにおける可動体の位置を、単一の装置によ
り速い応答性で精度良く検出できるようにした、低価格
でコンパクトな可動体の位置検出方法および装置を得る
ことを目的とする。

［課題を解決するための手段］ このため、本発明の可動体の位置検出方法は、可動体側
もしくは固定部側から照射された光ビームを上記の固定
部側もしくは可動体側の光電変換体に入射させて、上記
光ビームの光強度と、光強度によって重み付けされた上
記光電変換体の端部と上記光ビームの入射位置との距離
の平均値と、光強度によって重み付けされた上記光電変
換体の端部と上記光ビームの入射位置との距離の２乗平
均値とを上記光電変換体により検出し、検出された上記
の光強度および平均値に基づいて上記光電変換体の端部
と上記光ビームの入射位置との距離の平均値に比例する
１次出力をとり出すとともに。

検出された上記の光強度および２乗平均値に基づいて上
記光電変換体の端部と上記光ビームの入射位置との距離
の２乗平均値に比例する２次出力をとり出した後、上記
１次出力に基づき上記光ビームの入射位置を検出し、上
記の１次出力および２次出力に基づき上記光ビームの分
散を演算して検出してから、検出した上記光ビームの入
射位置および分散に基づいて上記可動体の上記固定部に
対する位置を算出することを特徴としている。

また、本発明の可動体の位置検出装置は、光ビームを照
射する光源と、同光源からの光ビームを受ける光電変換
体とをそれぞれ可動体もしくは固定部のいずれか一方に
固定してそなえ、上記光電変換体が、前記１次出力を検
出すべく、上記光電変換体の端部からの距離に応じ同距
離位置において同距離に比例した幅方向位置で分離絶縁
されるとともに、前記２次出力を検出すべく、上記光電
変換体の端部からの距離に応じ同距離位置において同距
離の２乗に比例した幅方向位置で分離絶縁されて構成さ
れ、上記光電変換体からの出力に基づき上記光ビームの
入射位置および分散を算出しこれらの入射位置および分
散から上記可動体の上記固定部に対する位置を演算する
演算部をそなえたことを特徴としている。

［作　　　用コ 上述した本発明の可動体の位置検出方法では、可動体側
もしくは固定部側からの光ビームが、上記の固定部側も
しくは可動体側に設けられた光電変換体に入射され、こ
の光電変換体により、同光電変換体の端部と光ビームの
入射位置との距離の平均値に比例する１次出力と上記距
離の２乗平均値に比例する２次出力とを検出することで
、複雑な信号処理回路などの高価なものを使用すること
なく、上記光電変換体からの上記の１次出力および２次
出力に基づいて、上記光ビームの入射位置および分散が
、統計学上の簡単な式により求められる。そして、得ら
れた上記光ビームの入射位置および分散から、それぞれ
上記光ビームの照射方向に直交する面内と同照射方向と
における上記可動体の上記固定部に対する位置が演算・
検出される。

また、上述した本発明の可動体の位置検出装置は前記方
法を実施するに際し直接使用されるもので、前記装置で
は、光源から照射された光ビームが、可動体側もしくは
固定部側から、固定部側もしくは可動体側の光電変換体
へ入射される。この光電変換体から出力される、１次直
線と２次曲線とに囲まれて分離絶縁された上記光電変換
体からの電流値と、上記２次曲線の下側の上記光電変換
体からの電流値との和により、光強度によって重み付け
された上記光電変換体の端部と上記光ビームの入射位置
との距離の平均値が得られる。また、上記２次曲線の下
側の上記光電変換体からの電流値により、光強度によっ
て重み付けされた上記光電変換体の端部と上記光ビーム
の入射位置との距離の２乗平均値が得られる。さらに、
３つの部分に分離絶縁された上記光電変換体からの電流
値の総和により上記光ビームの光強度が検出される。

そして、上記平均値を上記光強度により除算することで
、前記１次出力が求められるとともに、上記２乗平均値
を上記光強度により除算することで、前記２次出力が求
められる。これらの１次出力および２次出力に基づき上
記光ビームの入射位置および分散が算出され、得られた
入射位置および分散から、それぞれ上記光ビームの照射
方向に直交する面内と同照射方向とにおける上記可動体
の上記固定部に対する位置が演算・検出される。これら
の演算は、演算部においてなされる。

［発明の実施例］ まず１本発明による可動体の位置検出方法およびその原
理について説明する。

本発明の方法では、光源から照射された光ビームが、可
動体側もしくは固定部側から、固定部側もしくは可動体
側の光電変換体へ入射されるが、このとき、光電変換体
への光ビームの入射位置に基づき、光ビームの照射方向
に直交する面（光電変換体の光ビーム入射面に平行な面
）内における可動体の位置が検出される（第４，９図参
照）、これは、第２１図に示した従来装置と全く同様の
作用である。

一方、光ビームは、その集束性が強いものであっても、
その到達距離が長くなればなるほど、その距離に比例し
て拡がりをもってくる。つまり。

光電変換体に到達した光ビームの分散（拡がり）を検出
することにより、光ビームの光源と光電変換体との距離
、即ち、光ビームの照射方向における可動体の位置が検
出される（第５図参照）。

従って、光電変換体により、光源からの光ビームの入射
位置（平均位置）および分散を検出することで、可動体
の位置（光ビームの照射方向に直交する面内および同照
射方向）が検出されることになる。

そこで、本発明の方法では、次のようにして、光ビーム
の入射位置および分散を求めている。つまり、光ビーム
を受けるとその強度に応じ光電変換による所定の電流を
出力する光電変換体を用い、可動体側もしくは固定部側
から光ビームを照射し、固定部側もしくは可動体側の光
電変換体へ入射させる。そして、この光電変換体により
、まず、光強度（総強度）／／’（ｘ）ｄｘ（＝Ｉｔ：
ここで、ρは光ビームの強度分布）と、光強度によって
重み付けされた光ビームの位ｆｆ１ｘの平均値ｆｘ・ρ
（ｘ）ｄ　ｘと、同じく光強度によって重み付けされた
光ビームの位［ｘの２乗平均値／、！・ρ（ｘ）ｄｘと
を電流値として検出する。

そして、検出された電流値から、光電変換体の端部と光
ビームの位置との距離の平均値（重心位置）Ｘに比例す
る１次出力として、Ｋ１゜・・ｆｘ・ρ（ｘ）ｄｘ／　
ｆρ（ｘ）ｄｘを得るとともに、光電変換体の端部と光
ビームの位置との距離の２乗平均値１に比例する２次出
力として、Ｋ、ａ　・／　ｘ”　・Ｐ（ｘ）ｄｘ／　／
　Ｐ（ｘ）ｄｘを得てから（ここで、Ｋ１゜、に２゜は
定数）、これらの出力に基づき、光ビームの位！１１（
重心位置）Ｘを、 ｘ＝ｆｘ・ｐｃｘ）ｄｘｌｆｐｃｘ）ｄｘ　　　−（４
）として検出するとともに、光ビームの分散σ２を、ａ
　”　＝　ｆ　ｘ”　・ｉ”（ｘ）ｄｉ／　／　／’（
ｘ）ｄｘ−［／　ｘ−Ｆ（ｘ）ｄｘ／　／　／’（ｘ）
ｄｘｌ”−一一丁　　−２ −１−Ｘ　　　　　　　　　　・・・（５）にて検出す
るようにしている。

このようにして検出された平均位置ｉおよび分散σ２に
基づき、前述の通り、第４，９図および第５図に示すよ
うな関係から可動体の位置が演算・検出される。

以下、図面により、本発明の方法に適用される可動体の
位置検出装置の具体的な実施例を説明する。

第１〜７図は本発明の第１実施例としての可動体の位置
検出装置を示すもので、第１図（ａ）はその全体構成図
、第１図（ｂ）はその光電変換体としてのＤＩＰセンサ
［Ｄ　：　ｄｅｖｉａｔｉｏｎ（分散）、■：１ｎｔａ
ｎｓｉｔｙ　（強度Ｌ　Ｐ　：　ｐｏｓｉｔｉｏｎ（位
置）］の平面図、第１図（Ｑ）は上記ＤＩＰセンサの側
面図、第２図は上記ＤＩＰセンサに入射される光ビーム
の強度分布の一例を示すグラフ、第３図（ａ）、（ｂ）
はいずれも上記ＤＩＰセンサにより得られる検出電流値
と上記ＤＩＰセンサ上の位置との関係を示すグラフ、第
４図はＸ軸ステージの位置と光ビームの入射位置との関
係を示すグラフ、第５図はＹ軸ステージの位置と光ビー
ムの分散との関係を示すグラフ、第６図は本実施例装置
の配置変形例を示す全体構成図、第７図（ａ）〜（ｄ）
はいずれも光源の変形例を示す図である。

第１実施例では、可動体の２次元位置を検出する場合、
つまり、光ビームの照射方向に直交する軸（Ｘ軸）と同
照射方向の軸、（Ｙ軸）とについての可動体の固定部に
対する位１ｉｆ（Ｘ、Ｙ）を検出する場合について説明
する。

第１図（ａ）において、１は光ビームＬを後述するＤＩ
Ｐセンサへ垂直に照射するレーザ光源（半導体レーザ）
、２はＸ、Ｙ方向の２自由度を有する可動体で、Ｘ軸ス
テージ２ａとＹ軸ステージ２ｂとから構成され、図示し
ない駆動機構をそなえている。そして、Ｙ軸ステージ２
ｂ上にレーザ光源１が固定されている。また、３は固定
部、５はレーザ光源１からの光ビームＬを受ける光電変
換体としてのＤＩＰセンサで、固定部３上に固定されて
いる。さらに、６は演算部で、ＤＩＰセンサ５からの検
出信号（１１１１！１１３）に基づき、入射位置（平均
位置）ｉおよび分散σ２を算出し、これらの平均位ｌｘ
および分散σ２から可動体２（レーザ光源１）の位置（
ｘ、ｙ）を演算するものである。

また、本実施例のＤＩＰセンサ５は、第１図（ｂ）、（
Ｑ）に示すように、２層５−１．ｉ層５−２および０層
５−３からなるフォトダイオードとして構成され、光ビ
ームＬを受けるとその強度に応じ光電変換による所定の
電流を出力するものである。そして、各層５−１〜５−
３は、ｙ＝（ｗ／Ｑ）・ｘなる１次直線と、ｙ＝（ｗ／
Ｑ２）・Ｘ２なる放物線とにより３つの光電変換面５ａ
、５ｂ。

５ｃに分離絶縁されており、各光電変換面５ａ。

５ｂ、５ｃからそれぞれ電流値１１＊　１２９１３が検
出されるようになっている。

なお、第１図（ｂ）において、２層５−１の第１図（ｂ
）中の左下隅を原点として右方向にＸ軸、上方向にＹ軸
〔第１図（ａ）のＸ、Ｙ軸とは異なる〕をとっている、
また、第１図（ｂ）中のＱ、ｗは、それぞれＤＩＰセン
サ５の外形寸法、つまり長さ。

幅を示している。

本発明の第１実施例による可動体の位置検出装置は上述
のごとく構成されているので、可動体２の位置（つまり
はレーザ光源１の位置）を検出する際には、まず、可動
体２のＹ軸ステージ２ｂ上のレーザ光源１から固定部３
上のＤＩＰセンサ５へ、光ビームＬを照射する。このよ
うにして、光ビームＬを受けたＤＩＰセンサ５は、その
光強度に応じて光電変換を行ない電流を生じる。この光
電変換によりＤＩＰセンサ５から得られた検出信号ｉ工
ｙ　ｌｉｅ　１３は、演算部６へ入力される。

この後、ＤＩＰセンサ５および演算部６により、次のよ
うにして、光ビームＬの平均位置（重心位置）Ｙ１分散
（広がり）σ２が算出され、さらには。

これらの算出結果から可動体２の位［（Ｘ、Ｙ）が演算
・検出される。

今、第２図に示すような１次元ガウス分布形の強度分布
ρ（ス）をもった光ビームＬが、ＤＩＰセンサ５に入射
したとする。ここで、上記ガウス分布の平均位置を！、
分散をσ２．最大強度をＩ　ｍａｘ、総強度（第２図に
斜線で示す部分の面積）をＩｔとする。なお、第１図（
ｂ）のｙ方向には、光強度分布は一定であるとする。

このとき、位［ｘと、検出電流値１１と１２との和との
間には第３図、（ａ）に示すような関係があるとともに
、位置又と検出電流値ｉ□との間には第３図（ｂ）に示
すような関係がある。そこで、ＤＩＰセンサ５であるフ
ォトダイオードの光電変換効率をＫとし、簡単のため、
Ｂ、＝ｖｒ／Ｑ、ａ２＝ｗ／Ｑ２とすると、検出電流値
１ｚｙｌｚ＋ｉ３は、ｉ、＝に一／’ｐ（ｘ）・ａ、ｘ
”ｄｘ　　　　　　・−（６）Ｌ＝　Ｋ−ｆｉｐ　（ｘ
）（ａ、ｘ　−ａ、　ｘ”）ｄｘ　・＝（７）ｉ、＝に
一、／’ρ（ｘ）・ａ、（ｕ−ｘ）ｄｘ　　　”’（Ｕ
となり、これらの（６）〜（８）式より、ｉｚ＋ｉｚ＋
ｉ、＝に一／、’ρ（ｘ）・ａ、１）ｄｘ”Ｋ”ｗ−／
、’ρ（ｘ）ｄｘ ＝に−ｗ−Ｉｔ　　　　・・・（９） ｉ、＋ｉ、＝に−７，’ρ（ｘ）・ａ、ｘｄｘ　　　−
（１０）が得られる。ここで、（９）式つまりｉ１＋ｉ
２＋ｉ。

によって、光ビームＬの総強度Ｉｔに関する量が検出さ
れ、（１０）式つまりｉ１＋ｉ、によって、光ビ−ムＬ
の強度によって重み付けされた座標Ｘの平均値に関する
量が検出され、（６）弐つまり１１によって、光ビーム
Ｌの強度によって重み付けされた座標Ｘの２乗平均値が
検出されることになる。

従って、（４）　、　（９）　、　（１０）式より。

が得られ、この（ｘｚ　＋　１２）ｌ（ｌｌ　＋　ｉｚ
　＋　１３）によって、ＤＩＰセンサ５の端部と光ビー
ムＬの位置との距離Ｘの平均値Ｘに比例する１次出力が
とり出される。

さらに、（９）、（６）式より、 ＝□　　　　　・・・（１２） が得られ、このｚ　１／　Ｃｘ　１　＋　ｘ　２　＋　
ｘ　３）によって。

ＤＩＰセンサ５の端部と光ビームＬの位置との距離Ｘの
２乗平均値？に比例する２次出力がとり出される。

以上の結果から、本実施例では、（９）式により光ビー
ムＬの総強度Ｉｔが、 Ｉｔ＝（ｉ、＋ｉ、＋ｉａ）／（Ｋ−ｗ）　　−（１３
）として検出され、（１１）式により光ビームＬの平均
位置ｉが、 ｘ　＝　１（ｉ工＋ｉｚ）／（ｉｔ＋　ｉ、＋　ｉ、）
・・・（１４）として検出され、さらに、（５）、（１
１）、（１２）式に基づき、下式（１５）により分散σ
２が得られる。

・・・（１５） そして、ＤＩＰセンサ５への光ビームＬの入射位置又と
、Ｘ軸ステージ２ａの座標Ｘとの間には、第４・図に示
すような比例関係があることがら、（１４）式により求
められた平均位置！に基づき、光ビームＬの照射方向に
直交するＸ軸についての可動体２（レーザ光源１）の座
ａＸが演算・検出される。

また、前述したように、光ビームＬのレーザ光源１から
ＤＩＰセンサ５までの到達距離（Ｙ）が長くなればなる
ほど、光ビームＬは、上記到達距離に比例して拡がりを
もってくるため、ＤＩＰセンサに到達した光ビームＬの
分散σ２と、Ｙ軸ステージ２ｂの座標Ｙとの間には、第
５図に示すような比例関係がある。従って、　（１５）
式により求められた分散σ２に基づき、光ビームＬの照
射方向に平行なＹ軸についての可動体２（レーザ光源１
）の座標Ｙが演算・検出される。

このように、本発明の第１実施例の装置によれば、複雑
な信号処理を施すことなく、極めて簡素な構造の装置を
用い、ＤＩＰセンサ５からの検出電流値ｉユｅ　ｌａｐ
　’１ｍをもとに演算を行なうだけで、光ビームＬにつ
いての１次出力および２次出力が得られ、これらの出力
から光ビームＬの平均位置ｉおよび分散σ２が算出され
る。そして、このようにして得られた平均位１ｔｘおよ
び分散σ２に基づいて、光ビームＬの照射方向に直交す
る軸と、同照射方向に平行な軸とによる可動体２の２次
元座標位置（ｘ、ｙ）を、単一の装置により速い応答性
で精度良く検出でき、装置の小型化および低価格化を実
現できる。

なお、上記第１実施例では、可動体２のＹ軸テーブル２
ｂ上および固定部３上にそれぞれレーザ光源１およびＤ
ＩＰセンサ５を固定しているが、第６図に示すように、
逆に、可動体２のＹ軸テーブル２ｂ上にＤＩＰセンサ５
を固定し、固定部３上にレーザ光源１を固定するように
してもよく。

この場合も、上記第１実施例と同様の作用効果が得られ
る。

また、上記第１実施例では、光源として半導体レーザに
よるレーザ光源１を用いているが、発散光あるいは集束
光であれば、レーザ光源には限定されない０例えば、■
第７図（ａ）に示すように。

白熱ランプ４とピンホール７とを用い、ピンホール７を
通過した白熱ランプ４からの光を光ビームＬとする光源
、■第７図（ｂ）に示すように、光ファイバ８からの発
散光を光ビームＬとする光源、■第７図（０）に示すよ
うに、白熱ランプ４と集光レンズ９とを用い、集束レン
ズ９により集束した白熱ランプ４からの光を光ビームＬ
とする光源、■第７図（ｄ）に示すように、光ファイバ
８と集光レンズ９とを用い、集束レンズ９により集束し
た光ファイバ８からの光を光ビームＬとする光源など、
様々なものを光源として用いることができ、いずれの光
源によっても上記第１実施例と同様の作用効果が得られ
る。

次に、第８，９図により本発明の第２実施例としての可
動体の位置検出装置について説明すると、第８図（ａ）
はその全体構成図、第８図（ｂ）は本実施例において用
いられるＤＩＰセンサの平面図、第９図はＺ軸ステージ
の位置と光ビームの入射位置との関係を示すグラフであ
る。なお、図中、既述の符号と同一の符号は同一部分を
示しているので、説明は省略する。また、第８図（ａ）
において、演算部６は図示を省略されている。

第１実施例が可動体２の２次元位置を検出する場合であ
ったのに対し、第２実施例では、可動体２の３次元位置
を検出する場合、つまり、光ビームＬの照射方向に直交
する面内（Ｄ　Ｉ　Ｐセンサにおけるｘ、ｙ座標に対応
したＸ、Ｚ座標）と、同照射方向の軸（Ｙ軸）とについ
ての可動体２Ａ（レーザ光源１）の固定部３に対する位
１ｉＷ（Ｘ、　Ｙ）を検出する場合について説明する。

第８図（ａ）において、２Ａは３自由度を有する可動体
で、Ｘ軸ステージ２ａとＹ軸ステージ２ｂとＺ軸ステー
ジ２ｃとから構成されている。また。

５０は固定部３上に設けられたＤＩＰセンサ５０であり
、このＤＩＰセンサ５０は、光ビームＬのＤＩＰセンサ
５０への入射位置を２次元的に座標Ｃｘ、ｙ）として検
出すべく、第８図（ｂ）に示すように構成されている。

そして、本実施例では、２軸テーブル２ｃ上にレーザ光
源１が固定されている。

そして、第８図（ｂ）に示すように、ＤＩＰセンサ５０
は、第１図（ｂ）、　（Ｑ）に示したＤＩＰセンサ５と
同様に構成されたフォトダイオードをｎ個そなえ、ｙ方
向へ５−１〜５−ｎまで平面状に配置して構成されてい
る。なお、各フォトダイオード５−１〜５−　ｎの幅Δ
Ｗは、可動体２Ａ（レーザ光源１）のＺ軸方向移動幅に
比べて十分小さくなっている。

上述の構成により、この第２実施例の装置でも、各フォ
トダイオード５−１〜５−ｎにより検出される電流値ｉ
ｔｓ　ｘｚ＃　１３をもとに、各フォトダイオード５−
１〜５−ｎにおける光ビームＬの総強度Ｉｔ、入射位置
デおよび分散σ２が（１３）　、　（１４）　。

（１５）式により求められる。そして、総強度Ｉｔの最
も大きなフォトダイオード５−１〜５−ｎのｙ方向位置
を、ＤＩＰセンサ５ｏにおける光ビームＬのｙ方向入射
位置ｙとして検出する。

ここで、ＤＩＰセンサ５への光ビームＬの入射位置ｙと
、Ｚ軸ステージ２Ｃの座標Ｚとの間には、第９図に示す
ような比例関係があることから、前述のごとく求めた平
均位置（入射位置）ｙに基づき、光ビームＬの照射方向
（Ｙ軸）に直交し且つＸ軸にも直交するＺ軸ついての可
動体２Ａ（レーザ光源１）の座標Ｚが演算・検出される
。

また、第１実施例と同様に、入射位置ｙにおけるフォト
ダイオードからの検出電流値ｉ工、１２゜ｉ、をもとに
（１４）、　（１５）式により求めた入射位ｌｘおよび
分散σ２から、第４，５図に示した関係に基づいて、光
ビームＬの照射方向に直交する軸と、同照射方向に平行
な軸とによる可動体２Ａの座標位置（ｘ、ｙ）が演算・
検出される。

このようにして、本発明の第２実施例によれば、第１実
施例と同様の作用効果が得られるほか、簡素な構造の装
置により、可動体２Ａの３次元位置（ｘ、ｙ、ｚ）をも
検出できるのである。

なお、上記第２実施例において、Ｚ軸ステージ２ｃにＤ
ＩＰセンサ５０を配置し、固定部３上にレーザ光源１を
配置しても上述と同様の作用効果が得られる。また、第
１実施例と同様に、レーザ光源１に代えて、第７図（ａ
）〜（ｄ）に示すいずれの光源を用いてもよい。

ところで、上記第１，２実施例で使用されるＤＩＰセン
サ５は、第１図（ｂ）、（Ｑ）（または第８図（ｂ）〕
に示すようなフォトダイオードによるものとしているが
、本発明の方法を実施するための可動体の位置検出装置
における光電変換体としては、第１図（ｂ）、（ｃ）（
または第８図（ｂ）〕に示すＤＩＰセンサ５（または５
０）以外にも、様々なものを用いることができる。以下
に、本発明の方法を実施するために用いることのできる
光電変換体（ＤＩＰセンサ）の例を項目■〜■に挙げて
説明する。

恵員工髪腹孤 第１０図（ａ）、（ｂ）はＤＩＰセンサの第１変形例を
示すもので、第１０図（ａ）はその側面図、第１０図（
ｂ）はその平面図、第１１図は第１変形例のＤＩＰセン
サを２次元の場合に拡張した例を示す斜視図である。

第１変形例のＤＩＰセンサ５Ａでは、第１０図（ａ）、
（ｂ）に示すように、光ビームＬを受けるＰ型半導体か
ら成る第１抵抗層１１と、この第１抵抗層１１に空乏層
１３を介して接続されたＮ型半導体から成る第２抵抗層
１２とがそなえられ、第１抵抗層１１は全面一様な抵抗
値（抵抗線密度ｒｅ）を有するように形成されている。

また、電極１４．１５が、間隔Ｑをあけてそれぞれ第１
抵抗層１１の両端部に取り付けられるとともに、第２抵
抗層１２の両端にも、電極１６゜１７が、それぞれ上記
電極１４．１５に対向するように取り付けられている。

なお、ここでは、電極１４．１６の位置を原点とし、こ
れらの電極１４．１６から電極１５，１７へ向がう方向
へＸ軸をとる。

さらに、第２抵抗層１２は、その端部における電極１６
の位置からの距離に依存する抵抗値を有するように形成
されており、 ｒ　＝　（ｒｅ／　Ｑ　）　・ｘ　　　・＝（１６）な
る抵抗線密度ｒをもっている。

なお、ＤＩＰセンサ５Ａにおいて光電流が生じた場合、
電極１４，１５，１６．１７を流れる電流値が、それぞ
れｉユ。、ｉヨ。ｅ　Ｊｚｙ　Ｊｚとして検出されるよ
うになっている。

また、第１０図（ａ）、（ｂ）中のＱｌ、ｗ、ｈは、そ
れぞれＤＩＰセンサ５Ａの外形寸法、つまり長さ９幅、
高さを示す。

このようなりＩＰセンサ５Ａでは、第１抵抗層１１に入
射する光ビームＬの総強度Ｉｔ、平均位置ｘおよび分散
σ２は次のようにして得られる。

今、第２図と同様の強度分布ρ（ｘ）をもった光ビーム
Ｌが、第１０図（ａ）に矢印Ａで示すように入射したと
すると、光ビームＬのうちの［ｘ、ｘ＋ｄ：ｃ］間のビ
ーム素は、光電変換によりｄｉの正孔とｄｊの電子とを
生成する。即ち、 ｄｉ＝に−ｐ（ｘ）ｄｘ＝　−ｄｊ　　　＝１１７）こ
こで、Ｋは光電変換効率である。

そして、正孔ｄｉは、第１抵抗層１１に沿って移動し、
電子ｄｊ（＝　−ｄｉ）は、空乏層１３がら第２抵抗層
１２へ到達しこの第２抵抗層１２に沿って移動する。第
１抵抗層１１は全面一様な抵抗線密度ｒ０をもっている
ため、正孔ｄｉは、０がらＸまでの全抵抗と、ＸがらΩ
までの全抵抗とに反比例分配され、各々、ｄｉｌｌｌ、
　ｄｉ、。とじて電極１４゜１５から取り出される。従
って。

ｄｉ＝ｄｉ、。＋ｄｉ、。　　　　　　　　　−・・・
（１８）ｒｏｌｌ　に　　　　　　　　　　ｇ となる。

また、電極１４．１５からそれぞれ取り出される電流値
１１゜ｔ　１２゜は、 ｉよ。＝　ｆ　ｄｉ、。　　　・・・（２１）１２゜＝
／ｄｉ、。　　　・・・（２２）であり、実際に測定さ
れるのは、これらの電流値１８゜ｔ　１２゜である。１
２゜は、（２２）　、　（２０）　、　（１７）式より
。

ｉ３゜＝＝　／　ｄｉ２゜＝（１／Ｌ）・／ｘｄｉ＝（
Ｋ／Ｊ）・／；、’ｘ・ρ（ｘ）ｄｘ　　−（２３）と
なり、光ビームＬの強度によって重み付けされた座標Ｘ
の平均値が、電流値１２゜により検出されることになる
。

しかし、電流値１２゜は光ビームＬの強度にも依存して
いる。そこで、全電流値（ｉｔ。＋１２゜）を（２１）
。

（２２）　、　（１９）　、　（２０）　、　（１７）
式を用いて求めると。

ｉｌ、＋ｉ、。＝ｆ（ｄｉｌ。＋ｄｉ、。）＝７ｄｉ＝
　Ｋ−１，”ｐ　（ｘ）ｄｉ　＝　Ｋ・Ｉ　ｔ　−（２
４）となり、光ビームＬの総強度Ｉｔに関する量が得ら
れ、さらに（２３）　、　（２４）　、　（９）式より
、１１ｏ＋Ｌｏ　　　　Ｑ が得られる。結局、１２１１／（ｌ工。＋１２０）によ
って、電極１４の位置（光電変換体の端部）と光ビーム
Ｌの位置との距離Ｘの平均値ｉに比例する１次出力がと
り出され、（ｉ工。＋１ｚａ）によって、光ビームＬの
強度情報としてに−Ｉ″ｔを求めることができる。

次に、第２抵抗層１２は（１６）式に示すような抵抗線
密度ｒをもっているので、電子ｄｊは、ＯからＸまでの
全抵抗Ｒ１（Ｘ）と、ＸからＱまでの全抵抗Ｒ２（Ｘ）
とに反比例配分され、各々、ｄｊｔ＋　ｄＪａとして電
極１６．１７から取り出される。従って、Ｒ１（Ｘ）＝
　ｆ：ｒｄｘ　＝　ｒｏａ　ｘ”／（２（１）　・・（
２６）Ｒｚ（Ｘ）＝　／’ｒｄｘ ＝　ｒｏ（Ｒ”−ｘ”）／（２１２）　　・・・（２７
）となり、全抵抗Ｒについては、 Ｒ＝　ｆ”ｒｄｘ　＝　ｒ、ＩＩ　Ｑ　／　２　　　−
（２８）となるから。

ｄｊ＝ｄｊｔ＋ｄｊｚ　　　　　　　　　　　・・・（
２９）となる。

また、電極１６，１７からそ九ぞれ取り出される電流値
Ｊｚ＊　ｊｚは、 Ｊ　１＝／ｄ　ｊｌ　　　・・・（３２）Ｊ　２＝　／
　ｄ　ｊｚ　　　　・・・（３３）であり、実際に測定
されるのは、これらの電流値Ｊ１？　ｊｌである。ｊｌ
は、（３３）　、　（３１）、　（１２）式より１、Ｌ
＝／ｄ、Ｌ＝（１／Ｑ”）・／ｘ２ｄｊ＝　　（Ｋ／Ｎ
”）・ｆ：ｘ”ρ（ｘ）ｄｘ　　−（３４）となり、光
ビームＬの強度によって重み付けされた座標Ｘの２乗平
均値が、電流値ｊ２により検出されることになる。

しかし、電流値ｊ２は光ビームＬの強度にも依存してい
る。そこで、全電流値（ｊ１＋ｊ２）を（３２）。

（３３）　、　（３０）　、　（３１）　、　（１７）
式を用いて求めると、ｊ工＋ｊｚ＝／（ｄｊ工＋ｄｊｚ
）＝／ｄｊ＝−に−ｆ’ｐ（ｘ）ｄｘ＝−に−Ｉｔ　−
＝（３５）となり、光ビームＬの総強度Ｉｔに関する量
が得られ、さらに（３４）　、　（３５）式より、ｊ工
＋ｊｚ　　　Ｑ” が得られる。結局、ｊｚ／（ｊ□＋ｊａ）によって。

電極１６の位置（光電変換体の端部）と光ビームＬの位
置との距離Ｘの２乗平均値７に比例する２吹出カーｘ　
２　／　Ｑ２をとり出すことができる。

従って、光ビームＬの分散（拡がり）σ２は（２５）　
。

（３６）　、　（５）式より、 によって求めることができる。

以上の結果から、このＤＩＰセンサ５Ａを演算部６に接
続することで、検出電流値１１゜、１つ。、ｊ□。

ｊｌから、（２４）（もしくは（３５））　、　（２５
）　、　（３７）式に基づいて、それぞれ、光ビームＬ
の総強度Ｉｔ、平均位置デおよび分散σ２を得ることが
でき、第１０図（ａ）、（ｂ）に示すＤＩＰセンサ５Ａ
によっても上記第１実施例と同様の作用効果が得られる
。

なお、距離に比例した抵抗線密度をもつ第２抵抗層１２
は、不純物のドーピング量の変化によって実現させるこ
とができるほか、距離に反比例した膜厚を第２抵抗層１
２にもたせることによっても実現できる（抵抗線密度ｏ
ｅ１／膜厚ψ距離）。

また、第１０図（ａ）、（ｂ）に示すようなりＩＰセン
サ５Ａは、光ビームＬの入射位置を２次元的に検出しう
る第１１図に示すようなりＩＰセンサ５０Ａに拡張する
ことができる。つまり、第１１図に示すように、第１０
図（ａ）、（ｂ）に示したものとほぼ同様の構成におい
て、電極１４．１５に直交するように電極１４ａ、１５
ａが適当な間隔をあけてそれぞれ第１抵抗Ｍ１１のｙ軸
方向の両端部に取り付けられるとともに、第２抵抗層１
２には、電極１６ａ、１７ａが、それぞれ上記電極１４
ａ、１５ａに対向するように取り付けられている。そし
て、第２抵抗層１２は、Ｘｙｙ軸方向に沿い線形に増加
する適当な抵抗線密度を有するように形成されている。

従って、電極１４．１５からの検出電流値により光ビー
ムＬのＸ軸方向の入射位置！が求められ、電極１６．１
７からの検出電流値により７が求められるのはＤＩＰセ
ンサ５Ａの場合と同様で、（３７）式によってＸ軸方向
の分散σｘ２が求められる。

さらに、電極１４ａ、１５ａからの検出電流値に基づき
（２５）式により光ビームＬのｙ軸方向の入射位置ｙが
求められ、電極１６ａ、１７ａからの検出電流値により
〒１°が求められ、やはり、（３７）式によってｙ軸方
向の分散σｖ２が求められる。

このようにして、２次元であっても、光ビームＬの入射
位置（ｘ、ｙ）および分散（σｘ２．σｖ２）が求めら
れので、この［）ＩＰセンサ５０Ａを演算部６に接続す
ることで、ＤＩＰセンサ５０Ａによっても上記第２実施
例と同様の作用効果が得られる。

童！主変肛盤 第１２図はＤＩＰセンサの第２変形例を示す斜視図であ
り、第２変形例めＤＩＰセンサ５Ｂでは、第１２図に示
すように、第１変形例とほぼ同様の構成において、光ビ
ームＬを受けるＰ型半導体から成る第１抵抗層１１ａと
、この第１抵抗層１１ａに空乏層１３を介して接続され
たＮ型半導体から成る第２抵抗層１２ａとがそなえられ
、第２抵抗ｉｆＪ　１２　ａはバイアス電極１８に接続
される。また、第１抵抗層１１ａは、複数の帯状（たん
ざく状）抵抗層部分１１ｂ、ｌｌｃに分割されている。

そして、帯状抵抗層部分１１ｂ、ｌｉｅは交互に配置さ
れ、奇数番目（所定番目毎）に位置する帯状抵抗層部分
１１ｂは、全面一様な抵抗値を有するように形成される
とともに、偶数番目（上記所定番目毎以外）に位置する
帯状抵抗層部分１１ｃは、Ｘ軸方向に線形増加する（１
６）式と同様の抵抗線密度ｒを有するように形成されて
いる。

また、各帯状抵抗層部分１１ｂの両端部には、電極１４
ｂ、１５ｂが取り付けられるとともに、各帯状抵抗層部
分１１ｃの両端部には、電極１６ｂ、１７ｂが取り付け
られており、これらの電極１４ｂ、１５ｂ、１６ｂ、１
７ｂから検出される電流値１．。ｔ’ｌｚ。ｔ　ｊｕｔ
　Ｊａより、上記の第１変形例（ＤＩＰセンサ５Ａ）と
同様にして、１次出方および２吹出力が得られて、光強
度の平均位置Ｘ。

強度Ｉｔおよび分散σ３の検出が行なわれる。従って、
このＤＩＰセンサ５Ｂ＆′演算部６に接続することで、
このＤＩＰセンサ５Ｂによっても上記第１実施例と同様
の作用効果が得られる。

１策ユ聚履剪 第１３．１４図はＤＩＰセンサの第３変形例を示すもの
で、第１３図はその側面図、第１４図（ａＬ　＜ｂ＞は
それぞれ第１および第２の遮光マスクの形状を示す平面
図である。

第３変形例のＤＩＰセンサ５Ｃでは、第１３図に示すよ
うに、透光性を有する光電変換体としての３ｆｆｉのフ
ォトダイオード１９−１〜１９−３がそなえられており
、各フォトダイオード１９−１〜１９−３は、２層１９
ａ、ｉ層１９ｂおよびｎ層１９ｃから構成され、光ビー
ムＬを受けるとその強度に応じ光電変換による所定の電
流を出力するものである。そして、各フォトダイオード
１９−１〜１９−３の上下面には、透明導電膜２０が貼
付され、同透明導電膜２０を介して各フォトダイオード
１９−１〜１９−３からの検出電流値Ｉ、、Ｉ□、Ｉ２
が得られるようになっている。さらに、上下面に透明導
電膜２０を貼付された各フォトダイオード１９−１〜１
９−３は、ガラス基板２１上に載置されている。

そしてＪフォトダイオード１９−２の光ビームＬ側表面
は、透光性を有する絶縁保護膜２３を介して、第１４図
（ａ）に示す形状をもつ第１の遮光マスク２２ａによっ
て蔽われるとともに、フォトダイオード１９−３の光ビ
ームＬ側表面は、透光性を有する絶縁保護膜２３を介し
て、第１４図（ｂ）に示す形状をもつ第２の遮光マスク
２２ｂによって蔽われている。

つまり、第１の遮光マスク２２ａによる遮光部とフォト
ダイオード１９−２の受光部との境界線は、？　＝（ｗ
／　Ｑ　）・Ｘなる１次直線となり、フォトダイオード
１９−２は、遮光マスク２２ａにより１位＠Ｘにおいて
同Ｘに比例した幅（ｗ／Ｑ）・Ｘだけ露出されるように
なっている。同様に、第２の遮光マスク２２ｂによる遮
光部とフォトダイオード１９−３の受光部との境界線は
、ｙ＝（ｗ／Ｑ２）・ｘ２なる放物線となり、フォトダ
イオード１９−３は、遮光マスク２２ｂにより、距離Ｘ
において同Ｘの２乗に比例した幅（ｗ／Ω２）・ｘ２だ
け露出されるようになっている。なお、ｘ−ｙ座標系は
、第１図（ｂ）に示すものと同様である。

上述のように遮光マスク２２ａ、２２ｂにより上面を蔽
われたフォトダイオード１９−２．１９−３と、フォト
ダイオード１９−１とは、上から１９−１．１９−２．
１９−３の順で透光性のある接着層２４を介して積み重
ねられている。

このような−ＤＩＰセンサ５Ｃでは、第２図に示したも
のと同じ強度分布ρ（Ｘ）をもった光ビームＬが、第１
３図に矢印Ａで示すように入射した場合、第１図（ｂ）
、（ｃ）に示したＤＩＰセンサ５と同様にして、光ビー
ムＬの総強度Ｉｔ、平均位置Ｘおよび分散σ２が得られ
る。

つまり、このＤＩＰセンサ５Ｃでも、位置又と検出電流
値１１（＝ｉ工＋ｘａ）との間には第３図（ａ）に示す
ような関係があるとともに、位置Ｘと検出電流値ｌ２（
＝１１）との間には第３図（ｂ）に示すような関係があ
る。

従って、受光面が一切蔽われていないフォトダイオード
１９−１により検出される電流値工。は、Ｉ、＝ＫＩ、
−戸ｐ　（ｘ　）ｄ　ｚ　＝　Ｋｏ　・Ｉ　ｔ　　−（
３８）となり、この電流値工。から光ビームＬの総強度
Ｉｔに関する量が得られる。また、遮光マスク２２ａに
蔽われたフォトダイオード１９−２により検出される電
流値■□は、 １１＝Ｋ、・ａ、・／’ｘ・ｐ（ｘ）ｄｘ　　　−（３
９）となって、光ビームＬの強度によって重み付けされ
た座標Ｘの平均値が、電流値工、により検出されること
になる。同様に、遮光マスク２２ｂに蔽われたフォトダ
イオード１９−３により検出される電流値Ｉ２は、 Ｉ２＝に２・ａｚ・ｆ：ｘ２・ρ（ｘ）ｄｘ　　’−□
（４０）となって、光ビームＬの強度によって重み付け
された座標ｘの２乗平均値が、電流値工２により検出さ
れることになる。ここで、Ｋｏ＝　Ｋｘ−Ｋ２はそれぞ
れフォトダイオード１９−１〜１９−３の光電変換効率
である。

従って、（３８）　、　（３９）より、１１／Ｉｏ＝（
Ｋｔ／Ｋｏ）”ａｔ’５Ｆ　　　−（４１）が得られ、
このＩ　Ｌ　／　Ｉ　Ｏによって、フォトダイオード１
９−２の端部と光ビームＬの位置との距離Ｘの平均値ｉ
に比例する１次出力がとり出される。

また１、　（３８）　、　（４１）より、Ｌ／Ｉｏ＝（
Ｋ２／ｘ、）−ａ２−ｘ”　　””（４２）が得られ、
このＬ／Ｉ。によって、フォトダイオード１９−３の端
部と光ビームＬの位置との距離Ｘの２乗平均値７に比例
する２次出力がとり出される。

なお、実際には、光ビームＬがフォトダイオード１９−
１〜１９−３を順次透過するに従い、その光量は徐々に
吸収されて減衰するため、上記（３９）〜（４２）式に
よる演算にあたってはその減衰率を予め求めて考慮する
必要があるが、ここでは。

簡単のため光ビームＬの減衰は生じないものとして、説
明している。

以上の結果から、ＤＩＰセンサ５Ｃでは、（３８）式に
より光ビームＬの総強度Ｉｔが、（４１）式により光ビ
ームＬの平均値ｆｉｆｘが得られ、さらに、（４１）、
（４２）式に基づき、下式（４３）により分散σ２が得
られる。

従って、このＤＩＰセンサ５Ｃを演算部６に接続するこ
とで、このＤＩＰセンサ５Ｃによっても上記第１実施例
と同様の作用効果が得られる。

±災±変族叢 第１５図（ａ）、（ｂ）はＤＩＰセンサの第４変形例を
示すもので、第１５図（ａ）はその平面図、第１５図（
ｂ）はその側面図である。

第４変形例のＤＩＰセンサ５Ｄでは、第１５図（ａ）、
（ｂ）に示すように、光電変換体としてのフォトダイオ
ード２７がガラス基板３０上に載置されてそなえられ、
フォトダイオード２７の光ビームＬ側表面は、第１４図
（ａ）に示すものと同形状の第１の遮光マスク２８と、
第１４図（ｂ）に示すものと同形状の第２の遮光マスク
２９とにより蔽われている、そして、これらの遮光マス
ク２８゜２９はいずれも液晶シャッタとして構成されて
いる。

つまり、遮光マスク２８．２９がいずれもオフ（開放）
状態である場合には、フォトダイオード２７には光ビー
ムＬが全く遮光されないまま入射して、フォトダイオー
ド２７がら（３８）式に対応する電流値工。が検出され
る。また、遮光マスク２８が駆動電圧の印加によりオン
（閉鎖）状態となると、（３９）式に対応する電流値工
、が検出され、さらに、遮光マスク２９が駆動電圧の印
加によりオン状態となると、（４ｏ）式に対応する電流
値工２が検出されるこ、とになる、これにより、所定の
タイミングで、遮光マスク２８．２９両方オフ、遮光マ
スク２８のみオン、遮光マスク２９オンの操作を駆動電
圧の印加制御により繰り返し行ない、時間分解して電流
値工。、Ｉ、、Ｉ、−ｔ−検出し組み合わせることによ
って、　（３８）式により光ビームＬの総強度Ｉｔが、
（４１）式により光ビームＬの平均位置！が、（４３）
式により分散σ２が得られる。

従って、このＤＩＰセンサ５Ｄを演算部６に接続するこ
とで、このＤＩＰセンサ５Ｄによっても上記第１実施例
と同様の作用効果が得られる。

なお、シャッタとして液晶以外に、ＰＬＺＴ（ジルコン
酸チタン酸鉛ランタン）、ＫＤＰ（リン酸二水素カリウ
ム）などの電気光学結晶を用いてもよい。また、第２の
遮光マスク２９の形状を第１４図（ｂ）に示すものと同
形状としているが、この第２の遮光マスク２９を、第１
５図（ａ）における１次直線と２次血線とで囲まれた部
分だけとしてもよく、この場合、　（４０）式に対応す
る電流値工２を検出する際には、第１の遮光マスク２８
および第２の遮光マスク２９を両方ともオン（閉鎖）状
態とすればよい。

東１１変展孤 第１６．１７図はＤＩＰセンサの第５変形例を示すもの
で、第１６図はその側面図、第１７図（ａ）、（ｂ）は
それぞれ１次特性ＮＤフィルタおよ゛び２次特性ＮＤフ
ィルタの光透過率の性質を示すグラフである。

第５変形例のＤＩＰセンサ５Ｅでは、第１６図に示すよ
うに、光電変換体として３組のフォトマル３５〜３７が
そなえられ、それぞれ長さΩを有している。ここで、フ
ォトマルとは、光電子増倍管のことで、光を受けると電
子をねずみ算的に増加させて光強度に応じた出力を得る
もので、特に微弱光の光電変換に用いられる。

そして、フォトマル３６の光ビームＬ入力側表面は、１
次特性光学フィルタとしての１次特性ＮＤフィルタ３８
により蔽われるとともに、フォトマル３７の光ビームＬ
入力側表面は、２次特性光学フィルタとしての２次特性
ＮＤフィルタ３９により蔽われている。ここで、１次特
性ＮＤフィルタ３８は、第１７図（ａ）に示すように、
フォトマル３６の端部からの距離Ｘに比例した透過率す
、・Ｘを有する一方、２次特性ＮＤフィルタ３９は。

第１７図（ｂ）に示すように、フォトマル３７の端部か
らの距離Ｘの２乗に比例した透過率ｂ２・ｘ２を有して
いる。なお、ＮＤフィルタとは、ＮｅｕｔｒａｌＤ　ｅ
ｎｓｉｔｙ　Ｆ　１ｌｔｅｒのことで、波長（色）によ
らない、即ち１分光透過率がフラットなものである。

また、入射してくる光ビームＬは、ハーフミラ−４０，
４１により、それぞれフォトマル３５〜３７の受光面に
直交して入射するように分割される。

このＤＩＰセンサ５Ｅでは、Ｘ方向に第２図と同様の光
強度分布ρ（Ｘ）をもつ光ビームＬが入射すると、フィ
ルタをもたず光ビームＬを直接入射されるフォトマル３
５により得られる出力ｖ０は、Ｖ、＝に一／’ρ（ｘ）
ｄｘ ＝Ｋ・Ｉｔ　　　　　　　　　・・・（４４）となり、
この（４４）式により光ビームＬの総強度Ｉｔに関する
量が得られる。また、１次特性ＮＤフィルタ３８により
蔽われたフォトマル３６により得られる出力ｖ１は１ 、Ｖ、＝に一／’ρ（ｘ）・ｂ、・ｘｄｘ　　”（４５
）となって、光ビームＬの強度によって重み付けされた
座標Ｘの平均値が、出力Ｖユにより得られることになる
。同様に、２次特性ＮＤフィルタ３９により蔽われたフ
ォトマル３７により得られる出力ｖ２は。

Ｖｚ＝に一／’ρ（ｘ）・ｂ２・ｘ”ｄｘ　　−−−（
４ｓ）となって、光ビームＬの強度によって重み付けさ
れた座４ｆｊＩＫの２乗平均値が、出力ｖ２により得ら
れることになる。ここで、には光電変換効率である。

従って、（４４）、　（４５）式より、Ｖ１／Ｖｏ＝ｂ
１・ｘ　　　　　　　　”・（４７）が得られ、このｖ
　ｚ　／　ｖ　ｏによって、フォトマル３６の端部と光
ビームＬの位置との距離Ｘの平均値Ｘに比例する１次出
力がとり出される。

また、（４４）、（４６）式より、 Ｖ、／　ｖ、：２　ｂ２・ｘ”　　　　　　　”・（４
８）が得られ、このＶ、／Ｖ０によって、フォトマル３
７の端部と光ビームＬの位置との距１Ｉｉｘの２乗平均
値Ｐに比例する２次出方がとり出される。

ここで、（４５）式の右辺に２が乗算されているのは、
ハーフミーラー４０．４１によって光量が２分割される
からである。

以上の結果から、（４４）式により光ビームＬの総強度
Ｉｔが、（４７）式により光ビームＬの平均位置又が得
られ、（４７）　、　（４８）式に基づき、下式（４９
）により分散σ２が得ら九る。

従って、このＤＩＰセンサ５Ｅを演算部６に接続するこ
とで、このＤＩＰセンサ５Ｅによっても上記第１実施例
と同様の作用効果が得られる。

以上、ＤＩＰセンサの変形例について説明したが、第１
図（ａ）に示すＤＩＰセンサ５に代えて、いずれのセン
サ５Ａ〜５Ｅを用いても１本発明の方法を実施すること
ができ、上述の通り上記第１実施例と同様の効果が得ら
れ°るほか、第８図（ａ）に示すＤＩＰセンサ５０に代
えて、第１１図に示すセンサ５０Ａを用いても、上記第
２実施例と同様の効果が得られる。

なお、本発明による可動体の位置検出装置の応用例とし
て、前述した装置を、可動体２（または２Ａ）の振動状
態を検出するための振動計としても利用できる。光学系
の構成は上述した実施例と同じで、レーザ光源１または
ＤＩＰセンサ５（または５Ａ　〜５Ｅ、５０，５０Ａ）
のいずれが一方を可動体２と連動させる（っまり可動体
２に固定する）ことで、可動体２の振動を検出すること
もできる。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明の可動体の位置検出方法お
よび装置によれば、複雑な信号処理を施すことなく、光
電変換体からの検出電流値をもとに演算を行なうだけで
、光源からの光ビームについての１次出力および２次出
方が得られ上記光ビームの平均位置および分散が算出さ
れ、算出結果に基づいて可動体の位置（上記光ビームの
照射方向に直交する面内と同照射方向とにおける位置）
を、単一の装置により速い応答性で精度良く測定できる
とともに、装置が小型化がっ低価格化されるなどの効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１〜７図は本発明の第１実施例としての可動体の位置
検出装置を示すもので、第１図（ａ）はその全体構成図
、第１図（ｂ）はその光電変換体としてのＤＩＰセンサ
の平面図、第１図（Ｑ）は上記ＤＩＰセンサの側面図、
第２図は上記ＤＩＰセンサに入射される光ビームの強度
分布の一例を示すグラフ、第３図（ａ）、（ｂ）はいず
れも上記ＤＩＰセンサにより得られる検出電流値と光電
変換体上の位置との関係を示すグラフ、第４図はＸ軸ス
テージの位置と光ビームの入射位置との関係を示すグラ
フ、第５図はＹ軸ステージの位置と光ビームの分散との
関係を示すグラフ、第６図は本実施例装置の配置変形例
を示す全体構成図、第７図（ａ）〜（ｄ）はいずれも光
源の変形例を示す図であり、第８．９図は本発明の第２
実施例としての可動体の位置検出装置を示すもので、第
８図（ａ）はその全体構成図、第８図（ｂ）はその光電
変換体としてのＤＩＰセンサの平面図、第９図はＺ軸ス
テージの位置と光ビームの入射位置との関係を示すグラ
フであり、第１０．１１図はＤＩＰセンサの第１変形例
を示すもので、第１０図（ａ）はその側面図、第１０図
（ｂ）はその平面図、第１１図は本変形例のＤＩＰセン
サを２次元の場合に拡張した例を示す斜視図であり、第
１２図はＤＩＰセンサの第２変形例を示す斜視図、第１
３．１４図はＤＩＰセンサの第３変形例を示すもので、
第１３図はその側面図、第１４図（ａ）、（ｂ）はそれ
ぞれ第１および第２の遮光マスクの形状を示す平面図、
第１５図（ａ）、（ｂ）はＤＩＰセンサの第４変形例を
示すもので、第１５図（ａ）はその平面図、第１５図（
ｂ）はその側面図であり、第１６．１７図はＤＩＰセン
サの第５変形例を示すもので、第１６図はその側面図、
第１７図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ１次特性ＮＤフィル
タおよび２次特性ＮＤフィルタの光透過率の性質を示す
グラフであり、第１８図は従来の光位置検出装置を示す
側面図、第１９図は従来の表面分割型光位置検出装置を
示す斜視図、第２０図は従来の両面分割型光位置検出装
置を示す斜視図、第２１．２２図はいずれも従来の可動
体の位置検出装置を示す全体構成図である。 図において、１−　レーザ光源、２，２Ａ−可動体、２
ａ−Ｘ軸ステージ、２ｂ−Ｙ軸ステージ、２　ｃ　−−
Ｚ軸ステージ、３−固定部、４−光源としての白熱ラン
プ、５，５Ａ〜５Ｅ−光電変換体としてのＤＩＰセンサ
、５−１〜５−ｎ・−光電変換体としてのフォトダイオ
ード、６−演算部、７・−ピンホール、８・−光源とし
ての光ファイバ、９−集光レンズ、１１．１ｌａ−第１
抵抗層、ｌｌｂ。 １１ｃ−帯状抵抗層部分、１２，１２ａ・−第２抵抗層
、１３−空乏層、１９−１〜１９−３・−光電変換体と
してのフォトダイオード、２２ａ・−第１の遮光マスク
、２２ｂ−第２の遮光マスク、２７・−光電変換体とし
てのフォトダイオード、２８−第１の遮光マスク（液晶
シャッタ）、２９＝−第２の遮光マスク（液晶シャッタ
）、３５〜３７−光電変換体としてフォトマル、３８−
１次特性光学フィルタとしての１次特性ＮＤフィルタ、
３９　・２次特性光学フィルタとしての２次特性ＮＤフ
ィルタ、５０．５ＯＡ−一光電変換体としてのＤＩＰセ
ンサ。 Ｌ−光ビーム。 特許出願人　株式会社　神戸製鋼所

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）可動体側もしくは固定部側から照射された光ビー
   ムを上記の固定部側もしくは可動体側の光電変換体に入
   射させて、上記光ビームの光強度と、光強度によって重
   み付けされた上記光電変換体の端部と上記光ビームの入
   射位置との距離の平均値と、光強度によって重み付けさ
   れた上記光電変換体の端部と上記光ビームの入射位置と
   の距離の２乗平均値とを上記光電変換体により検出し、
   検出された上記の光強度および平均値に基づいて上記光
   電変換体の端部と上記光ビームの入射位置との距離の平
   均値に比例する１次出力をとり出すとともに、検出され
   た上記の光強度および２乗平均値に基づいて上記光電変
   換体の端部と上記光ビームの入射位置との距離の２乗平
   均値に比例する２次出力をとり出した後、上記１次出力
   に基づき上記光ビームの入射位置を検出し、上記の１次
   出力および２次出力に基づき上記光ビームの分散を演算
   して検出してから、検出した上記光ビームの入射位置お
   よび分散に基づいて上記可動体の上記固定部に対する位
   置を算出することを特徴とする、可動体の位置検出方法
   。
2. （２）光ビームを照射する光源と、同光源からの光ビー
   ムを受ける光電変換体とをそれぞれ可動体もしくは固定
   部のいずれか一方に固定してそなえ、上記光電変換体が
   、同光電変換体の端部と上記光ビームの入射位置との距
   離の平均値に比例する１次出力を検出すべく、上記光電
   変換体の端部からの距離に応じ同距離位置において同距
   離に比例した幅方向位置で分離絶縁されるとともに、上
   記光電変換体の端部と上記光ビームの入射位置との距離
   の２乗平均値に比例する２次出力を検出すべく、上記光
   電変換体の端部からの距離に応じ同距離位置において同
   距離の２乗に比例した幅方向位置で分離絶縁されて構成
   され、上記光電変換体からの出力に基づき上記光ビーム
   の入射位置および分散を算出しこれらの入射位置および
   分散から上記可動体の上記固定部に対する位置を演算す
   る演算部がそなえられたことを特徴とする可動体の位置
   検出装置。